分析背景

一體化預(yù)制泵站是替代傳統(tǒng)排水泵站的理想解決方案，屬于集成式一體化泵站。一體化預(yù)制泵站為交鑰匙工程,泵站的筒體采用加厚型機(jī)械纏繞玻璃鋼材質(zhì)制成。一體化預(yù)制泵站以強(qiáng)大的流體提升和輸送能力，在城市水循環(huán)系統(tǒng)和正在興起的海綿城市工程中得到了廣泛應(yīng)用"。一體化預(yù)制泵站避免了傳統(tǒng)泵站存在的一些缺點(diǎn)，并能為清水和污水提供足夠的勢(shì)能和壓能,因此具有很高的工程應(yīng)用和研究?jī)r(jià)值。作為一個(gè)復(fù)雜的流體動(dòng)力系統(tǒng)，一體化預(yù)制泵站泵內(nèi)不良流動(dòng)會(huì)導(dǎo)致泵產(chǎn)生振動(dòng)、氣蝕、噪聲,并且降低泵的能量性能。當(dāng)一體化預(yù)制泵站應(yīng)用于提升污水時(shí)，內(nèi)部的介質(zhì)為兩相甚至更多相流動(dòng)，在筒體底部可能出現(xiàn)沉積現(xiàn)象中-4。若雜質(zhì)進(jìn)入輸送泵,則泵可能造成泵過流部件磨損。若泵流道設(shè)計(jì)不合理或泵運(yùn)行參數(shù)不在理想范圍內(nèi),則泵流道內(nèi)可能發(fā)生阻塞,嚴(yán)重威脅整個(gè)泵站的穩(wěn)定性。通常采用數(shù)值模擬方法對(duì)一體化預(yù)制泵站內(nèi)部流場(chǎng)進(jìn)行計(jì)算流體動(dòng)力學(xué)分析，從而判別筒體底部形狀設(shè)計(jì)的優(yōu)劣。

針對(duì)一體化預(yù)制泵站筒體內(nèi)部有污泥沉積，且在長(zhǎng)期沉淀后導(dǎo)致硫化氫等有害氣體聚集，進(jìn)而威脅到下井維護(hù)人員的人身安全問題,筆者對(duì)一體化預(yù)制泵站進(jìn)行流體動(dòng)力學(xué)仿真分析，研究在污水泵提升污水時(shí)運(yùn)行流態(tài)是否穩(wěn)定均勻，有無湍流或旋渦沉淀現(xiàn)象，從而盡可能避免中毒事件發(fā)生，同時(shí)也為企業(yè)提供筒體的設(shè)計(jì)參考。筆者以廣東某公司提供的LY-GRP一體化預(yù)制泵站為例,基于 ANSYS 軟件對(duì)一體化預(yù)制泵站進(jìn)行流體仿真分析。該一體化預(yù)制泵站筒體直徑為3 500 mm,高為9300 mm,結(jié)構(gòu)如圖1所示。

2 理論分析

一體化預(yù)制泵站內(nèi)部的流態(tài)優(yōu)劣取決于污水泵進(jìn)水口的入流條件。在污水泵提升污水時(shí)，應(yīng)用計(jì)算流體動(dòng)力學(xué)方法分析一體化預(yù)制泵站筒體內(nèi)部的流場(chǎng)，以此來觀察泵站的運(yùn)行流態(tài)。筆者采用國際上運(yùn)用廣泛的 ANSYS 有限元分析軟件,對(duì)一體化預(yù)制泵站進(jìn)行計(jì)算流體動(dòng)力學(xué)仿真分析，過程主要包括三維造型、網(wǎng)格劃分、前處理、流場(chǎng)求解、后處理五個(gè)階段!。計(jì)算流體動(dòng)力學(xué)仿真分析流程如圖2所示。

泵站內(nèi)流體的流動(dòng)遵循質(zhì)量守恒、能量守恒、動(dòng)量守恒定律，這些定律可以用相應(yīng)的控制方程進(jìn)行描述，筆者分析的泵站，內(nèi)部流體流動(dòng)為三維不可壓縮湍流流動(dòng)。對(duì)于湍流，在工程上廣泛采用的方法是對(duì)瞬態(tài)納維-斯托克斯方程進(jìn)行時(shí)均化，同時(shí)補(bǔ)充其它方程來反映湍流特性，組成封閉方程組后再進(jìn)行求解“-1分析時(shí),采用 RNG 4-ε模型對(duì)湍流進(jìn)行求解，這是對(duì)瞬態(tài)納維-斯托克斯方程進(jìn)行重整化群數(shù)學(xué)方法推導(dǎo)出來的模型,精度較高,在流線曲率大、有旋渦及旋轉(zhuǎn)R-10的葉輪機(jī)械內(nèi)部流場(chǎng)中更加適用。

仿真分析

采用 SolidWorks 三維軟件對(duì)一體化預(yù)制泵站過流區(qū)域進(jìn)行三維模型建造,三維模型如圖3所示。

一體化預(yù)制泵站內(nèi)的流體為連續(xù)流動(dòng)的流體，直接求解泵站內(nèi)連續(xù)流動(dòng)的流體難度很大。因此，在使用計(jì)算流體動(dòng)力學(xué)軟件對(duì)模型進(jìn)行仿真之前，需要借助網(wǎng)格劃分將連續(xù)流動(dòng)的流體離散化，并求解離散化方程組，這樣可以大大降低數(shù)值計(jì)算難度，并提高求解精度。在 ANSYS 軟件中對(duì)整個(gè)流體進(jìn)行四面體非結(jié)構(gòu)網(wǎng)格劃分,如圖4所示，并對(duì)泵出水管道葉輪區(qū)域進(jìn)行局部加密，

采用 ANSYS CFX 流體分析及仿真軟件對(duì)一體化預(yù)制泵站內(nèi)部流動(dòng)進(jìn)行計(jì)算流體動(dòng)力學(xué)仿真分析。根據(jù)泵站內(nèi)部流體流動(dòng)的特點(diǎn)和對(duì)計(jì)算結(jié)果收斂性的預(yù)期,將泵站進(jìn)口流速設(shè)置為恒定速度,將出口流速設(shè)置為自由流出，葉輪與靜止部件間的交界面設(shè)置為轉(zhuǎn)子凍結(jié),其余固體壁面均設(shè)置為光滑無滑移壁面條件，同時(shí)開啟兩臺(tái)水泵進(jìn)行計(jì)算流體動(dòng)力學(xué)仿真分析，觀察流場(chǎng)分布。水泵啟動(dòng)時(shí)的計(jì)算域如圖 5 所示。

筒體內(nèi)部三維流場(chǎng)分布如圖6所示。通過泵站在啟動(dòng)狀態(tài)下筒體內(nèi)部三維流線及速度矢量分布，可以看出水流從泵站進(jìn)口流入后,均勻流向水泵兩側(cè)，水泵吸入口的入流未出現(xiàn)明顯湍流現(xiàn)象，水泵吸入口附近流速較大，具備較強(qiáng)的抽吸力。

為了更仔細(xì)地觀察筒體底部流場(chǎng)，分別在筒體內(nèi)部前后不同位置設(shè)置截面，查看流線和矢量分布。前后不同位置截面如圖7所示，從前往后依次為Y1~Y4截面。前后不同截面流線圖如圖8所示，速度矢量分布如圖9所示。

筒體內(nèi)不同高度截面如圖10 所示,從下往上依次為 Z1~Z4 截面。查看不同高度截面上的流線及矢量分布，不同高度截面流線圖如圖 11所示,不同高度截面速度矢量分布如圖 12 所示: